专利名称：一种热防护材料催化系数测试装置及利用该装置测试热防护材料催化系数的方法
技术领域：
本发明涉及一种热防护材料催化系数测试装置及其热防护材料催化系数的测试方法。
背景技术：
分子破裂成原子，原子重新排列组合生成新物质的过程，叫做化学反应。在反应中常伴有发光、发热、变色、生成沉淀物等现象。化学反应进行的快慢程度通常采用化学反应速率来衡量,用单位时间内反应物或生成物的物质的量来表示。不同的化学反应之间速率差异极大，比如爆炸反应几乎是瞬间完成的，而单质金在空气中和氧气之间的反应速率非常缓慢，几乎接近不反应。因此，为了加速或者减慢化学反应速率，使得一些化学反应过程能按照预期程度进行。在反应物中添加某种物质，在反应结束后，该物质的质量和化学性质没有发生改变，但是这种物质能加速或者减慢化学反应速率，这种物质叫做催化剂，而这样的过程叫做催化。催化能改变化学反应速率，但不影响化学平衡的作用。催化是自然界中普遍存在的重要现象，催化作用几乎遍及化学反应的整个领域。激波是超音速流动中经常遇到的 一种基本现象。例如，高超音速飞行器再入过程，超音速飞行可以引起空气的压缩而形成激波。我们可以这样概括激波的产生:当气体以超音速绕物体流动时，在物体前面会形成一道突跃的压缩波。气流通过这道波时，其压强、密度、温度突跃地上升一个数值，流速或马赫数M相应地下降一个数值，即气流受到突然的压缩。激波是一种强扰动波，在气流通过强扰动波时，是一个有效能增加、熵量减少的过程。由于激波是气体的一种瞬时压缩现象，因此其过程是不可逆的。高超音速飞行器再入大气层时，头部激波层温度很高，达6000K以上，使气体中的分子和原子发生离解、电离、复合以及分子振动等复杂的物理化学过程，激波层内的“气体碎片”，与飞行器表面结构材料接触时，大量研究已经证实，这种接触存在明显的催化现象。由于飞行器表面结构材料的催化加速“气体碎片”复合成气体分子，复合过程放出大量的热量，这些热量使得飞行器表面结构材料的温度急剧上升而发生烧蚀现象。为了提高飞行器飞行安全，而应降低飞行器表面结构材料的催化能力。测量飞行器表面结构材料的催化系数是十分必要的，测量和寻找催化系数低的热防护材料成为目前航天热防护材料领域首要的研究目标。长期以来热防护材料的表面催化特性是通过电弧加热器考核来评价，其能够直接模拟飞行器再入过程中真实的服役环境，通过流场诊断结合数值模拟的方法获得材料催化特性对焓值、热流等参数的影响，可为热防护系统的设计提供直接依据。但是通过该方法来评价材料催化特性存在着大量的问题，实验周期长、实验过程极其复杂。繁冗的实验程序及大量待测流场参数将引入较大的误差。此外，材料壁面热流的变化是个综合的热响应过程，通过材料壁面热流来定义材料的催化系数不尽科学，不能有效规避材料氧化、辐射等过程造成的热流变化带来的影响。最为重要的是电弧加热器实验高昂的实验成本进一步限制了对热防护材料催化特性的研究。

发明内容
本发明的目的是要解决采用电弧加热器检测热防护材料催化特性存在实验周期长和实验过程复杂的问题，而提供一种热防护材料催化系数测试装置及利用该装置测试热防护材料催化系数的方法。—种热防护材料催化系数测试装置包括载气流量计、惰性气体流量计、微波功率源、波导、双比色高温计、氟化钙玻璃、第一机械密封部件、石英管、电磁感应加热线圈、氧化锆支架、第二机械密封部件、压力表、真空泵、光谱仪、机械升降台、光谱仪信号接收电脑和机械升降台控制电脑；所述的载气流量计和惰性气体流量计分别与波导连通，由微波功率源和波导连接共同组成等离子体发生系统，所述的石英管与波导连通，通过第一机械密封部件将氟化钙玻璃密封固定在石英管上部，双比色高温计悬空设置在氟化钙玻璃上方，真空泵通过第二机械密封部件与石英管下部连通，且在真空泵与第二机械密封部件之间设置压力表，氧化锆支架固定在第二机械密封部件上，且在氧化锆支架顶端的石英管外围处固定电磁感应加热线圈，光谱仪设置在机械升降台上，光谱仪与光谱仪信号接收电脑连接，机械升降台与机械升降台控制电脑连接，通过机械升降台控制电脑控制机械升降台使光谱仪扫描石英管。工作原理:热防护材料催化系数测试装置中由微波功率源和波导共同组成等离子体发生系统，微波功率源产生的能量经波导系统传输并激励反应气体形成等离子体进入石英管反应室中；通过载气流量计、惰性气体流量计真空泵来调节反应气体流量及气体压力；由第一机械密封部件、石英管和第二机械密封部件共同组成了密封反应室的主体；待测试样为实验待测材料，并由氧化锆支架并对实验材料提供了支撑；电磁感应加热线圈为加热系统，可实现材料的快速升温；双比色高温计和氟化钙玻璃是测温系统，双比色高温计通过氟化钙玻璃测量试样表面温度；光谱仪、机械升降台、光谱仪信号接收电脑和机械升降台控制电脑构成了等离子体流场诊断系统；热防护材料催化系数测试装置可实现不同气氛、气体压力及实验温度下 热防护材料催化系数的测算。一种利用热防护材料催化系数测试装置测试热防护材料催化系数的方法，具体是按以下步骤完成的:一、首先将待测试样放入热防护材料催化系数测试装置的氧化锆支架上，然后以流量为lOmL/min 300mL/min通过载气流量计向波导中充入载气，同时以流量为lmL/min 50mL/min通过惰性气体流量计向波导中充入惰性气体,并控制惰性气体的流量与载气的流量比为1: (4 99)，控制波导内气体压力为IPa IOOOPa ; 二、启动电磁感应加热线圈通过石英管对待测试样加热，将待测试样从室温加热至1000°C 1500°C，由双比色高温计记录温度；三、启动微波功率源，将微波功率源的阳极电流调节至200mA 500mA;四、通过机械升降台控制电脑控制机械升降台使光谱仪扫描石英管，通过光谱仪采集原子特征谱线信号，由光谱仪信号接收电脑记录待测试样表面上方载气中氧原子或氮原子及惰性气体原子谱线强度的变化，并利用Origin软件拟合氧原子或氮原子同惰性气体原子谱线强度比率变化曲线，测得反应边界层厚度L，同时计算待测试样表面载气中氧原子或氮原子同惰性气体原子谱线强度比率(I_)IinCTt)x=o，记为R。；计算反应边界层处载气中氧原子或氮原子同惰性气体原子谱线强度比率，(1_)IineJrt，记为& ;五、根据扩散控制方程
权利要求
1.一种热防护材料催化系数测试装置，其特征在于热防护材料催化系数测试装置包括载气流量计(I)、惰性气体流量计(2 )、微波功率源(3 )、波导(4)、双比色高温计(5 )、氟化钙玻璃(6)、第一机械密封部件(7)、石英管(8)、电磁感应加热线圈(10)、氧化锆支架(11)、第二机械密封部件(12)、压力表(13)、真空泵(14)、光谱仪(15)、机械升降台(16)、光谱仪信号接收电脑(17)和机械升降台控制电脑(18);所述的载气流量计(I)和惰性气体流量计(2)分别与波导(4)连通，由微波功率源(3)和波导(4)连接共同组成等离子体发生系统，所述的石英管(8)与波导(4)连通，通过第一机械密封部件(7)将氟化钙玻璃(6)密封固定在石英管(8)上部，双比色高温计(5)悬空设置在氟化钙玻璃(6)上方，真空泵(14)通过第二机械密封部件(12)与石英管(8)下部连通，且在真空泵(14)与第二机械密封部件(12)之间设置压力表(13)，氧化锆支架(11)固定在第二机械密封部件(12)上，且在氧化锆支架(11)顶端的石英管(8)外围处固定电磁感应加热线圈(10)，光谱仪(15)设置在机械升降台(16)上，光谱仪(15)与光谱仪信号接收电脑(17)连接，机械升降台(16)与机械升降台控制电脑(18)连接，通过机械升降台控制电脑(18)控制机械升降台(16)使光谱仪(15)扫描石英管(8)。
2.一种利用热防护材料催化系数测试装置测试热防护材料催化系数的方法，其特征在于利用热防护材料催化系数测试装置测试热防护材料催化系数的方法是具体实施步骤如下:一、首先将待测 试样(9)放入热防护材料催化系数测试装置的氧化锆支架(11)上，然后以流量为lOmL/m in 300mL/min通过载气流量计(I)向波导(4)中充入载气，同时以流量为lmL/min 50mL/min通过惰性气体流量计(2)向波导(4)中充入惰性气体，并控制惰性气体的流量与载气的流量比为1: (4 99)，控制波导(4)内气体压力为IPa IOOOPa ；二、启动电磁感应加热线圈(10)通过石英管(8)对待测试样(9)加热，将待测试样(9)从室温加热至1000°C 1500°C，由双比色高温计(5)记录温度；三、启动微波功率源(3)，将微波功率源(3)的阳极电流调节至200mA 500mA ;四、通过机械升降台控制电脑(18)控制机械升降台(16)使光谱仪(15)扫描石英管(8)，通过光谱仪(15)采集原子特征谱线信号，由光谱仪信号接收电脑(17)记录待测试样(9)表面上方载气中氧原子或氮原子及惰性气体原子谱线强度的变化，并利用Origin软件拟合氧原子或氮原子同惰性气体原子谱线强度比率变化曲线，测得反应边界层厚度L，同时计算待测试样(9)表面载气中氧原子或氮原子同惰性气体原子谱线强度比率(I_)IinCTt)x=o，记为R。；计算反应边界层处载气中氧原子或氮原子同惰性气体原子谱线强度比率，(I自Iinert)μ，记为& ;五、根据扩散控制方程
3.根据权利要求2所述的一种利用热防护材料催化系数测试装置测试热防护材料催化系数的方法，其特征在于步骤一中所述的载气为氧气、氮气或空气。
4.根据权利要求2所述的一种利用热防护材料催化系数测试装置测试热防护材料催化系数的方法，其特征在于步骤一中所述的惰性气体为氦气、氖气或氩气。
5.根据权利要求2所述的一种利用热防护材料催化系数测试装置测试热防护材料催化系数的方法，其特征在于步骤五中所述的扩散控制方程
全文摘要
一种热防护材料催化系数测试装置及利用该装置测试热防护材料催化系数的方法，它涉及一种热防护材料催化系数测试装置及其热防护材料催化系数的测试方法。本发明的目的是要解决采用电弧加热器检测热防护材料催化特性存在实验周期长和实验过程复杂的问题。装置包括载气流量计、惰性气体流量计、微波功率源、波导、双比色高温计、氟化钙玻璃、第一机械密封部件、石英管、电磁感应加热线圈、氧化锆支架、第二机械密封部件、压力表、真空泵、光谱仪、机械升降台、光谱仪信号接收电脑和机械升降台控制电脑；方法一、充气、控压；二、加热；三、启动微波功率源；四、扫描记录结果；五、根据扩散控制方程测算。本发明主要用于测算热防护材料催化系数。
文档编号G01N21/71GK103234956SQ201310156878
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月28日 优先权日2013年4月28日
发明者张幸红, 李宁, 韩文波, 胡平, 王鹏, 洪长青 申请人:哈尔滨工业大学